Análise de desempenho de sistemas coerentes digitais de longa distância utilizando o modelo de ruído gaussiano

Abstract

O uso cada vez mais popular e exigente de redes ópticas pelo mundo por de sistemas com multiplexação por divisão de comprimento de onda (DWDM – Dense Wavelenght Division Multiplexing) criou a necessidade de sistemas mais robustos e velozes. Para sanar essa necessidade, o uso de sistemas de recepção coerente cresceu e tem sido usado em sistemas com taxas de transmissão maiores que 40 Gbps. Essas altas taxas só são alcançadas através de detecção coerente, devido a necessidade da informação de fase do sinal no receptor, e quando unido a um processador digital de sinais (DSP – Digital Signal Processor), podem ultrapassar 100 Gbps. Recepção coerente implica que o receptor do sistema consegue extrair informações de fase, frequência e amplitude do sinal recebido, expandindo o leque de formatos de modulação ou modelagem de espectro que o sistema pode usar, a fim de atingir taxas mais altas, e também que muita da, se não toda, dispersão gerada pelo sistema pode ser compensada no processador digital de sinal (DSP) do receptor, simplificando o design da rede, uma vez que não é necessário compensar essa dispersão com fibras ópticas especificas ou outros métodos que modifiquem o sinal. Esse caso especifico onde não existe necessidade de compensação de dispersão é chamado de transmissão não-compensada (UT – Uncompensated Transmissions). Este trabalho utiliza do conceito de UT junto de um modelo matemático, chamado modelo de ruído gaussiano (GNM – Gaussian Noise Model), para calcular algumas métricas de desempenho do sistema, como a relação sinal ruído (SNR – Signal to Noise Ratio) e a taxa de erro de bit (BER – Bit Error Rate), a fim de analisar o desempenho do sistema em diferentes comprimentos de span e do enlace, para enfim validar o uso do modelo e apontar futuras recomendações.

The ever-growing and ever demanding use of optical networks through dense wavelength division multiplexing (DWDM) created a necessity of more robust and fast systems. To remedy this necessity, the use of coherent systems has grown, especially in systems with 40 Gbps bit rate. These high bit rates can only be obtained using coherent detection, due to the need of phase information of the signal, and when used in conjunction with a DSP, bit rates higher than 100 Gbps can be obtained. Coherent reception implies that the system’s receptor is able to extract amplitude, frequency and phase information from the received signal, expanding the possibilities when using different modulation formats or spectral modeling, and that a lot of, if not all, the systems dispersion can be equalized by a digital signal processor (DSP) at the reception, which simplifies de network design once it’s not necessary to compensate dispersion by using certain types of optical fiber or modifying the signal. This specific case where no compensation is needed throughout the system is called uncompensated transmission (UT). This paper focus on the concept of UT along with a mathematical model, called gaussian noise model (GNM), to calculate some performance metrics, such as signal to noise ratio (SNR) and bit error rate (BER), so to analyze the system’s performance when designed with different span and total link lengths. With that information, the author can validate the model’s usage and give pointers to future network design.